8 Minutės
Nauji Rice universiteto kompiuteriniai modeliai rodo, kad Jupiterio greitas ankstyvas augimas reikšmingai pertvarkė jaunos Saulės sistemos architektūrą. Didžioji planeta išgražino žiedo ir tarpų struktūrą dujų ir dulkių diske, kuriame vėliau susidarė antra banga planetų statybos akmenų — planetesimų. Tokia vėlesnė planetesimų karta gali paaiškinti, kodėl daugelis primityvių meteorų, ypač chondritų, formavosi milijonus metų po pirmųjų kietųjų dalelių atsiradimo diske.
Kaip augantis milžinas išskaptuoja diską ir stabdo į centrą kryptingą dreifą
Planetologai Rice universitete, kuriuos vedė André Izidoro kartu su doktorantu Baibhav Srivastava, sujungė aukštos raiškos hidrodinaminius modelius, imituojančius formuojamą Jupiterį, su dulkių dinamikos ir planetų formavimosi simuliacijomis, kad atsekų planetos poveikį protoplanetiniam diskui. Tyrimo rezultatai, publikuoti žurnale Science Advances, rodo, kad Jupiteriui anksti pasiekus reikšmingą masę, jo gravitacija paleido bangas per dujas diske. Šios bangos atvėrė plyšį ir sukūrė slėgio maksimumus — tarsi kosmines spūstis, kuriose sukaupti didesni kietieji dalelės.
Tokios slėgio nuolydžio zonos veikė kaip galingi gaudyklės mechanizmai dulkių dalelėms ir smulkiems grūdams. Vietoj to, kad milimetrinės ar centimetrinės dalelės tolimesniu laikotarpiu dreifuotų link jaunosios Saulės ir į ją kristų, jos kaupėsi slėgio „bumpe“ ir formavo tankias, ilgaamžes žiedines struktūras. Šiuose žieduose kondensavusios ir agregavusios dalelės galėjo sukibti, stiprėti mažose sankaupose ir per kelis mechanizmus — įskaitant srautinio nestabilumo (streaming instability) procesus — gravitaciškai žlugti į planetesimus: kelių kilometrų dydžio kietuosius kūnus, kurie yra planetų ir meteorų žaliava.
Toks mechanizmas, kuriame slėgio maksimumai užkerta kelią į centrą nukreiptam dreifui, paaiškina kaip diskas galėjo išlaikyti dideles atsargas kietųjų medžiagų atokiau nuo Saulės, tuo pat metu leisti antrinei planetesimų generacijai susiformuoti vėlesniuose laiko tarpsniuose. Ši dinamika yra svarbi suprantant planetų formavimąsi, planetesimų surinkimą ir izotopinę struktūrą, kurią mes matome meteoritų pavyzdžiuose.
Simuliacijos ir metodai: dujų dinamikos ir dulkių elgesio susiejimas
Tyrėjų komanda naudojo susietus hidrodinaminius ir dalelių evoliucijos kodus, leidžiančius detaliai modeliuoti dujų srautus, turbulentinį difuziją, dalelių gaudymą slėgio metuose ir tarpusavio sąveikas. Modeliuose buvo įtraukti tiek stacionarūs, tiek laike kintantys diskų parametrai — tankis, temperatūra, turbulencijos intensyvumas (parametruojamas α koeficientu), taip pat dalelių dydžių pasiskirstymas ir jų Stokso skaičiai (Stokes number), kurie lemia, kaip stipriai dalelės susijusios su dujų judesiu.
Eksperimentuodami su skirtingais Jupiterio augimo tempais ir laiko grafikais, mokslininkai ištyrė scenarijus, kai milžiniška planeta formavosi pakankamai anksti, kad perimtų į centrą dreifuojančias kietąsias daleles ir sukurtų stabilias atsargų buveines — rezervuarus. Tokie rezervuarai, stipriai susiję su slėgio maksimumais prieš ir už atidarytos skersinio spragos, gali veikti kaip ilgalaikės kietųjų dalelių kolekcijos vietos. Būtent čia vėlesniu laikotarpiu galėjo susidaryti antra planetesimų populiacija — po to, kai pirmoji karta buvo suformuota iš disko pradinės kietosios medžiagos.
Techninis simuliacijų požiūris apėmė kelių fizikų modulių tarpusavio sąveiką: dujų hidrodinamiką (įskaitant bangų sklidimą ir Lindblado rezonansus), turbulentinį pernašą, dulkių augimą ir fragmentaciją, dalelių kaupimą slėgio maksimumuose bei gravitacinį surišimą į planetesimus. Tokie kompleksiniai skaitmeniniai eksperimentai leidžia įvertinti, kiek jautrus galutinis rezultatas yra pradinėms disko masės, temperatūros profilėms ir dulkių frakcijai bei Jupiterio augimo greičiui.
Kodėl chondritai susiformavo vėliau — antroji statybinių blokų karta
Chondritai yra uoliniai meteorai, išsaugoję beveik nepakitusias dulkių daleles ir mažas sferules, vadinamas chondrolėmis (chondrulėmis). Skirtingai nei ankstyvi planetesimai, kurie gali būti ištirpę ir diferenciavęsi dėl radioaktyvaus šilumos tiekimo (pvz., 26Al), chondritai išsaugo natūralų cheminį ir izotopinį archyvą. Vienas ilgalaikis mokslo klausimų buvo, kodėl daugelis chondritų susiformavo praėjus 2–3 milijonams metų po ankstyviausių kietųjų fazių (pvz., Pirmųjų Kondensuotų Inkluzijų — CAI), intervalas, kurio klasikinės gravitacinio kolapso ar tiesioginio greito suvėrimo teorijos sunkiai paaiškina.
Izidoro ir Srivastava modeliai pateikia natūralų paaiškinimą: Jupiterio atidaryta spraga diskelyje efektyviai atskyrė vidinį ir išorinį disko regionus. Toks atskyrimas apsaugojo kiekvienos zonos unikalų izotopinį parašą, tuo pat metu sukuriant naujas vietas — slėgio gaudykles — kur kietosios dalelės vėliau galėjo kauptis ir formuoti naują planetesimų bangą. Planetos formuojančios šiose slėgio duobėse reprezentuoja „antrąją kartą“ statybinių blokų, kurios susiformavimo amžiai sutampa su datuojamais chondritų užuomazgų amžiais.
Srivastava pažymi, kad šis mechanizmas sujungia izotopinį įrodymų rinkinį su dinamine evoliucija: Jupiterio ankstyva buvimas išlaikė izotopinį skirtumą tarp vidinės ir išorinės Saulės sistemos medžiagos, o tuo pačiu sukėlė vėlesnę planetesimų formaciją, kurią matome meteoritų archyvuose. Tai gerina suderinamumą tarp geochemijos duomenų (pvz., skirtingų izotopinių grupių, tokių kaip karboniški ir nekarboniški meteorai) ir diskų dinaminių modelių.
Tolimesnė analizė apima tikslesnį radiometrinių datos šaltinių, tokių kaip 26Al–26Mg sistemos ir U–Pb chronometrijos, pritaikymą, kad būtų galima palyginti tikslius chondritų ir žiedų susidarymo laikotarpius su simuliacijose generuojamomis laiko skalėmis. Šis tarpdalykinis lyginimas padeda patikrinti hipotezes apie slėgio gaudyklių efektyvumą ir jų gebėjimą išlaikyti kietąsias mases pakankamai ilgai, kad susidarytų antroji planetesimų karta.
Diagrama, vaizduojanti Jupiterio augimą. Paskolos: Rice University
Pasekmės Žemei, vidinėms planetoms ir egzoplanetų sistemoms
Simuliacijos taip pat padeda paaiškinti, kodėl Saulės sistemos akmens planetos — Merkurijus, Venera, Žemė ir Marsas — išliko maždaug ties 1 astronominiu vienetu vietoje, o ne spirališkai įsirito į savo žvaigždę. Atidarydama skersinę spragą, Jupiteris efektyviai užkūrė į centrą kryptingą dujų srautą, kuris kitu atveju gali skatinti greitą augančių planetų migraciją į vidų (vadinamą Type I ar Type II migracija, priklausomai nuo masės ir diskinės reakcijos). Be tokio barjero, daug jaunų planetų kituose sistemose stebimos, kaip migruoja link žvaigždžių ir susitelkia arti jų — formuodamos karštus super-Žemės ar karštus Neptūnus.
Jupiterio ankstyvas poveikis tikriausiai stabilizavo vidinę Saulės sistemos dalį, tarsi įtvirtindamas Žemę ir artimas jos orbitas, užkirsdamas kelią masyvesnėms planetų sankaupoms priartėti prie Saulės ir pakeisti vidinių planetų evoliuciją. Tai turi tiesioginių pasekmių mūsų planetos geologinei ir klimatiniai raidai, nes išorinės masės pernešimas ir dažni dinaminių perturbacijų įvykiai galėjo visiškai pakeisti Žemės akrecijos istoriją ir medžiagų sumaišymą.
Šie rezultatai dera su aukštos raiškos protoplanetinių diskų stebėjimais, kuriuos teikia ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array). ALMA nuotraukose dažnai matyti žiedai ir tarpai diskuose aplink jaunus žvaigždžių sistemas — struktūros, kurias planetų mokslininkai dažnai aiškina kaip formuojančiųsi milžiniškų planetų sukurtas erdves. Rice universiteto tyrimas stiprina šią interpretaciją, padedant suvokti mūsų Saulės sistemą platesniame astronominiame kontekste, kur panašūs procesai gali vykti ir kitose zvaigždžių sistemose.
Be to, tyrimas pateikia plataus masto ryšio tarp meteoritų chemijos, izotopinės geochemijos ir diskų dinamikos pagrindą. Tai leidžia interpretuoti meteoritų archyvus ne kaip vienkartinį formavimosi įvykį, o kaip tęstinę seriją pakartotinių akrecijų ir reorganizacijų per kelis evoliucinius etapus. Kitaip tariant, uolienos, kurios galiausiai nukrito ant Žemės, užfiksavo ne vienos, o kelių planetų formavimosi kartų istorijas, todėl jų analizė atskleidžia daugiasluoksnę Saulės sistemos raidą.
Eksperto įžvalga
Dr. Lena Morales, planetų dinamikos specialistė iš Institute for Space Studies (tiesiogiai nedalyvavo Rice tyrime), pateikia platesnį kontekstą: 'Šis tyrimas elegantiškai sujungia tai, ką matome meteoritų laboratorijose, su tomis struktūromis, kurias teleskopai fiksuoja žvaigždžių formavimosi diskuose. Idėja, kad Jupiteris tiek apsaugotų atskirus izotopinius rezervuarus, tiek sėtų vėlesnę planetesimų bangą, padeda suderinti kelis iki šiol atskirus stebėjimus. Tai taip pat pabrėžia, kaip jautriai planetų formavimasis reaguoja į milžiniškų planetų ankstyvą augimą.'
Pasižiūrint į ateitį, Rice modeliai pateikia testuojamas prognozes: meteoritų populiacijos turėtų išsaugoti formavimosi slėgio gaudyklių parašus, o ALMA apžvalgos labai jaunų diskų galėtų aptikti planetų masės perturbacijas pakankamai anksti, kad jos atitiktų meteoritinio archyvo datavimo poreikius. Tolimesni darbai patikslins Jupiterio tikslią augimo laiko skalę ir kaip šis laikas priklauso nuo disko masės, temperatūros profilės ir turbulencijos intensyvumo. Taip pat verta nagrinėti, kaip skirtingos pradinių sąlygų kombinacijos (pvz., didesnė pradinė dulkių frakcija arba kiti ankstyvi gigantų kūrėjai) gali suteikti alternatyvių scenarijų, vis dar suderinamų su meteoritų duomenimis ir ALMA stebėjimais.
Galiausiai, integruodami laboratorinius izotopinius duomenis, aukštos raiškos astronominius stebėjimus ir pažangius skaitmeninius modelius, Mokslas gali žengti link išsamesnio Saulės sistemos kūrimosi pasakojimo, kuriame Jupiterio ankstyvas įsikišimas veikė kaip kertinė dinaminė jėga.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą